Wie funktioniert ein Dampfautoklav?

E. coli

E.coli Bakterien

Dampfautoklaven sind für den Einsatz von Hochdruck- und Hochtemperaturdampf zur Abtötung von Mikroorganismen ausgelegt. Sie werden auch verwendet, um biogefährliche Materialien inaktiv zu machen. Damit der Dampfautoklav wirksam ist, müssen die zu sterilisierenden Materialien mit Dampf gesättigt sein. Wenn nicht genügend Dampf oder Lufteinschlüsse in den Materialien vorhanden sind, findet keine Dekontamination statt.

Die Sterilisation beinhaltet die absolute Vernichtung aller Mikroorganismen, einschließlich resistenter Bakterien, bakterieller Sporen, Protozoen, Prionen, Viren und Pilze, die in Flüssigkeiten, auf Materialoberflächen, in Medikamenten oder Kulturmedien vorhanden sind. Absolute Vernichtung bedeutet genau das. So etwas wie eine “Teilsterilisation” gibt es nicht. Einen sterilisierten Zustand zu erreichen, kann sowohl schwierig als auch schwer zu beweisen sein. Unter einer Reihe von Umständen ist die Dampfsterilisation die bevorzugte Sterilisationsmethode und funktioniert durch Denaturierung von Proteinen. Bei der Denaturierung von Proteinen handelt es sich um eine Proteinkoagulation, die durch eine Veränderung der Proteinkonformation in Gegenwart von Hitze zustande kommt. Chemikalien haben die Fähigkeit, Mikroorganismen abzutöten, sie sind jedoch unter Umständen nicht völlig wirksam und können unerwünschte oder potenziell toxische Rückstände hinterlassen. Dennoch werden chemische Sterilisationsmittel eingesetzt, wenn Hitze Materialien schädigen würde. Ionisierende Strahlung und UV-Strahlung können verwendet werden, und sie stören oder modifizieren die DNS/ DNA, um die Replikation zu verhindern; allerdings erzielen sie möglicherweise nicht die gewünschte Wirkung, und die Validierung ist etwas schwierig. Letztendlich ist die Sterilisation mit feuchter Hitze tendenziell überlegen und die bevorzugte Sterilisationsmethode.

Die meisten Mikroorganismen werden bei Temperaturen über 80 °C abgetötet. Prionen hingegen benötigen höhere Temperaturen und längere Zeiten, um sie zu deaktivieren. Bei der Sterilisation mit feuchter Hitze kondensieren Dampfmoleküle an kühleren Mikroorganismen. Die Dampfmoleküle übertragen dann 2500 Joule pro Gramm Dampf und erhitzen die Mikroorganismen auf eine Temperatur, bei der sie abgetötet werden. Andere Erhitzungsmethoden, die eine geringere Wärme von trockenen Gasen übertragen, neigen dazu, Grenzschichteffekte zu erzeugen. Dadurch entsteht letztlich ein Isolationseffekt, der letztendlich Mikroorganismen schützt.

Um die maximale Wirkung des Dampfes zu erzielen, muss er gesättigt sein. Bei Sterilisationsverfahren mit feuchter Hitze lassen sich Temperatur und Druck leicht überwachen, so dass leicht festgestellt werden kann, ob eine Sterilisation stattgefunden hat. Es besteht kein Zweifel, dass die Dampfsterilisation ein hohes Maß an Sterilität erzeugt und deshalb die am häufigsten verwendete Form der Sterilisation in Krankenhäusern und Labors ist. Das Feuchthitze-Autoklavieren ist die schnellste und zuverlässigste Form der Sterilisation.

Wie der Dampf-Autoklav funktioniert

Ein Autoklav ist im Wesentlichen ein Druckkochtopf, der Dampf unter Druck als Sterilisationsmittel verwendet. Durch die Druckerhöhung (über atmosphärischen Druck) kann der Dampf höhere Temperaturen erreichen. Durch den zusätzlichen Druck wird die Siedetemperatur des Wassers erhöht. Tatsächlich um etwa 20 °C höher. Dies erhöht effektiv seinen Wärmeinhalt und seine Abtötungsfähigkeit. Dies kommt von seiner latenten Verdampfungswärme. Die latente Verdampfungswärme ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um siedendes Wasser in Dampf umzuwandeln. Diese Umwandlungswärme ist ziemlich groß im Vergleich zu der Wärmemenge, die benötigt wird, um Wasser heiß zu machen.

Um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen, sind 80 kcal/mol erforderlich, die Umwandlung von kochendem Wasser in Dampf erfordert jedoch 540 kcal/mol. Das bedeutet, dass Dampf bei 100°C fast 7-mal mehr Wärme hat als kochendes Wasser.

Die schöne Eigenschaft von Dampf ist, dass er die Fähigkeit besitzt, in Objekte einzudringen, die eine kühlere Temperatur haben. Wenn der Dampf auf eine kühlere Oberfläche trifft, kondensiert er an diesem Objekt zu Wasser. Dadurch wird die Menge des vorhandenen Dampfes effektiv verringert. Dieser Unterdruck im Dampf zieht mehr Dampf in den kühleren Bereich. Die Kondensation findet so lange statt, wie die Temperatur der kondensierenden Oberfläche niedriger ist als die des Dampfes. Dies ermöglicht eine schnelle Erwärmung der Oberflächen, das Eindringen in dichte Materialien, die Denaturierung von Proteinen und die Sterilisierung von Mikroorganismen.

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Abtötungstemperatur (TDT – thermal death time)

Die Abtötungstemperatur (TDT) wird verwendet, um zu bestimmen, wie lange es dauert, bestimmte Mikroorganismen bei einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten Suspension abzutöten. Es genügt zu sagen, dass die Sterblichkeitsrate direkt proportional zur Konzentration der Mikroorganismen zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Wenn Sie die Temperatur Ihres Sterilisationsprozesses erhöhen, hat dies zur Folge, dass sich die TDT – die Zeit bis zum Absterben der Mikroorganismen –  verringert. Wenn Sie die Temperatur senken, erhöht sich die TDT. Höhere Temperaturen für kürzere Zeiträume werden bevorzugt.

Jenseits von Temperatur und Zeit wird die TDT von den zu sterilisierenden Materialien beeinflusst. Beispielsweise verlangsamen ölige Materialien die Dampfdurchdringung und verlängern daher die TDT. Stark saure oder basische Materialien neigen dazu, die TDT zu verringern. Für eine Reihe von Mikroorganismen und spezifische Suspensionen, in denen sie sich befinden können, sind TDT verfügbar. Denken Sie daran, dass die TDT vielleicht nicht genau ist, aber ein guter Ausgangspunkt.

Das Autoklavieren gilt als die effektivste und effizienteste Art der Sterilisation. Feuchtwärmeautoklaven arbeiten nach einem Zeit- und Temperaturverhältnis. Höhere Temperaturen sind wichtig für eine schnellere Abtötung von Mikroorganismen. Längere Sterilisationszeiten sind für größere Beladungen, große Flüssigkeitsvolumina und dichte Materialien erforderlich. Die in einem Feuchthitzeautoklav am häufigsten verwendeten Temperaturen und Drücke sind 115 °C bei 10 Psi(pounds per square inch), 121 °C bei 15 Psi und 132 °C bei 27 Psi. Das Feuchthitze-Autoklavieren funktioniert gut für Glaswaren, biologische Medien, chirurgische Verbände, biogefährliche Abfälle und vieles mehr.

Autoklaven: Druck und Temperatur

Druck und Temperatur beeinflussen das Sieden. Wasser siedet, wenn die Wassermoleküle genügend Energie enthalten, um aus der Flüssigkeit zu entweichen und darüber Wasserdampf oder so genannten Wasserdampf zu bilden. Wenn das Wasser heißer wird, enthalten die Wassermoleküle mehr Energie und können leichter aus der Flüssigkeit entweichen. Auf der anderen Seite ist auch der Druck wichtig. Je höher der Druck über dem Wasser ist, desto schwieriger ist es für die Wassermoleküle, sich von der Flüssigkeit zu lösen und umgekehrt.

Erwägen Sie, in die Höhe zu steigen. Je höher Sie steigen, desto niedriger ist der atmosphärische Druck. Das Sieden von Wasser in dieser höheren Höhe findet bei einer niedrigeren Temperatur statt, weil es weniger Hitze benötigt, um das Wasser zum Sieden zu bringen. Es ist viel einfacher für flüssiges Wasser, in Wasserdampf überzugehen, weil der Druck über der Flüssigkeit viel geringer ist. Wenn Sie sich auf dem Gipfel des Mount Everest befinden, siedet Wasser bei etwa 70 °C und nicht bei 100 °C.

Der Siedepunkt von Wasser bei einer Atmosphäre (Meereshöhe, 760 mmHg) liegt bei 100 °C. Eine Erhöhung oder Senkung des Drucks um etwa 28 mmHg verändert den Siedepunkt um 1 °C.

Dampfdruck

Im Falle eines geschlossenen Behälters, wie z.B. eines Autoklavs, wird der Verdampfungsprozess so lange fortgesetzt, bis so viele Moleküle in die Flüssigkeit zurückkehren, wie entweichen. Wenn dies geschieht, gilt der Dampf als gesättigt. Bei höheren Temperaturen können mehr Wassermoleküle entweichen und der entsprechende Sättigungsdampfdruck ist größer. Im Falle eines offenen Behälters ist der Dampfdruck zusammen mit den anderen Komponenten in der darüber befindlichen Luft eigentlich ein Partialdruck. In diesem Fall wird die Temperatur, bei der der Dampfdruck gleich dem atmosphärischen Druck ist, als Siedepunkt bezeichnet.

Zusammenfassung

Dampfautoklaven verwenden Hochdruck- und Hochtemperaturdampf, um Krankheitserreger abzutöten. Damit der Dampfautoklav wirksam ist, müssen die zu sterilisierenden Materialien mit Dampf gesättigt sein. Unter Sterilisation versteht man die absolute Abtötung aller Mikroorganismen, die in Flüssigkeiten, auf Materialoberflächen, in Medikamenten und Kulturmedien vorhanden sind. So etwas, wie “Teilsterilisation” gibt es nicht. Dampfsterilisation funktioniert durch Denaturierung von Proteinen. Bei der Denaturierung von Proteinen handelt es sich um eine Proteinkoagulation, d.h. eine Veränderung der Konformation des Proteins, die es inaktiv macht.

Im Grunde genommen ist der Dampfautoklav ein Druckkochtopf, der Dampf unter Druck als Sterilisationsmittel verwendet. Der Druckanstieg über eine Atmosphäre hinaus ermöglicht es dem Dampf, eine höhere Temperatur zu erreichen. Der zusätzliche Druck erhöht die Siedetemperatur des Wassers und bewirkt eine höhere Abtötungsleistung.

Die thermische Abtötungszeit ist eine Information, mit der bestimmt wird, wie lange es dauert, bestimmte Mikroorganismen bei einer bestimmten Temperatur abzutöten. Die Abtötungsrate ist direkt proportional zur Menge der zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhandenen Mikroorganismen.

Das Feuchthitze-Autoklavieren ist die am häufigsten verwendete Form der Sterilisation. Es ist die schnellste und zuverlässigste Form der Sterilisation.

Weiterführende Literatur

Hyperphysik und Thermodynamik

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/Kinetic/vappre.html#c2

Die logarithmische Natur der Abtötungstemperatur (TDT)

http://www.jstor.org/stable/30082910

Enzymatisches Detergens-Behandlungsprotokoll, das die Protease-resistente Prion-Protein-Belastung und die Infektiosität von Monofilamenten aus Chirurgenstahl, die mit einem vom Menschen stammenden Prion-Stamm kontaminiert sind, reduziert
 

Bildnachweise und Informationen

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diverse_e_Coli.png

Beschreibung: Englisch: Dies sind E. coli

Datum: 4. August 2009

Quelle: Eigene Arbeit

Autor Mattosaurus

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